CC BY
239
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ TECHNICAL SCIENCES
Обзорная статья
УДК 004.031.6+623.746.4-519:004
ББК 32.971.322.5+39.52-05
Д 58
DOI: 10.53598/2410-3225-2022-1-296-62-76
Интеграция сетей и вычислений для построения системы управления роем дронов как сетевой системы управления
(Рецензирована)
Виталий Анатольевич Довгаль
Майкопский государственный технологический университет, Адыгейский государственный университет, Майкоп, Россия, [email protected]
Аннотация. В последнее время усиливается значение практического применения мультиагентных систем, таких как рои дронов, что обусловлено появлением множества устройств, способных коммуницировать между собой с целью их кооперативного поведения. Однако автоматизация управления роем дронов является сложной задачей из-за наличия постоянно изменяющихся условий окружающей среды и ограничений каналов беспроводной связи, используемых каждым беспилотным летательным аппаратом в стае. Для решения указанных проблем в статье предлагается рассматривать рой дронов как сетевую систему управления (Networked Control Systems, NCS), в которой управление всей системой осуществляется в рамках сети беспроводной связи. Такой подход обусловлен тесной взаимосвязью между сетевыми и вычислительными системами, используемыми для эффективной поддержки основных функций управления роем: сбора и обмена данными, принятия решений по распределению команд управления и т.п. Представлен обзор принципов разработки самоорганизующегося роя дронов в качестве NCS посредством интеграции сетевой системы и вычислительной системы. Кроме того, проводится анализ интеграции указанных систем для повышения производительности роя дронов.
Ключевые слова: рой беспилотных летательных аппаратов, сетевые системы управления, беспроводные сети, внутрисетевые вычисления
Review Paper
Integration of networks and computing to build a drone swarm management system as a network management system
Vitaliy А. Dovgal
Maikop State University of Technology, Adyghe State University, Maikop, Russia, [email protected]
Abstract. Recently, the importance of the practical application of multi-agent systems, such as swarms of drones, has been increasing, due to the emergence of many devices capable of communicating with each other for the purpose of their cooperative behavior. However, automating drone swarm control is challenging, due to the presence of constantly changing environmental conditions and the limitations of the wireless communication channels used by each unmanned aerial vehicle in the flock. To solve these problems, the paper proposes to consider a swarm of drones as a network control system (Networked Control Systems, NCS), in which the entire system is controlled within a wireless communication network. This approach is due to the close relationship between network and computing systems used to effectively support the main functions of swarm management: data collection and exchange, decision-making on the distribution of control commands, etc. The paper provides an overview of the principles of developing a self-organizing drone swarm as an NCS through the integration of a network system and a computing system. In addition, the paper analyzes the integration of these systems to improve the performance of a swarm of drones.
Keywords: drone swarms, networked control systems, wireless networks, in-network computing
Введение
Беспилотные летательные аппараты (БПЛА, дроны) - это автономные или удаленно пилотируемые летательные аппараты, которые имеют большой набор сценариев применимости благодаря своей универсальности, низкой стоимости и простоте развертывания [1]. Сценарии применимости охватывают как военные, так и гражданские области [2]. В военных целях БПЛА предотвращают гибель и ранения личного состава, а также используются для распознавания объектов наблюдения. Гражданское применение дронов еще более разнообразно и включает в себя сбор актуальной информации об объектах, находящихся на поверхности Земли, обеспечение беспроводной связи (изображения и видео, из удаленных мест), доставку товаров и управление дорожным движением [3]. Индивидуальные ограничения беспилотных летательных аппаратов приводят к трудностям при выполнении длительных задач, таких как охват больших географических районов и своевременное предоставление важной информации. Для более эффективного выполнения указанных задач все чаще и чаще в настоящее время дроны используются для выполнения некоторого задания (например, поисковой операции) не поодиночке, а в составе организованной группы, которую можно назвать роем (или стаей) [4].
Каждый беспилотник в рое может быть рассмотрен как простой агент в сетевой системе управления, а совокупность всех агентов роя представляет собой мультиагент-ную систему, в которой все необходимые задачи распределяются между всеми дронами на основе интеграции сетевой и вычислительной систем, что позволяет решать сложные задачи, поставленные перед стаей дронов [5]. Таким образом, разработка интегрированной системы управления роем дронов позволит повысить эффективность усилий по координации поведения беспилотных летательных аппаратов, что позволит обеспечить более широкий охват территории, более высокую гибкость и надежность за счет резервирования.
Разрабатываемые системы управления роем беспилотных летательных аппаратов могут быть построены на основе как децентрализованного управления полетом, так и с единым центром управления (как централизованная система). Поскольку в большинстве случаев используются беспроводные каналы коммуникации, то помимо прочих вопросов необходимо решать технические проблемы, связанные с обеспечением безопасности передачи данных и вычислительной производительности агентов стаи (например, [6]). Кроме того, много усилий направлено на преодоление ограничений, связанных с масштабируемостью системы агентов, обусловленной изменением качества беспроводных каналов связи, а также предотвращение столкновений и управление формированием стаи, потенциально влияющие на успешность выполнения миссии. Использование самоорганизующегося поведения системы роя беспилотных летательных аппаратов требует интеграции сетевых и вычислительных систем. Желательным представляется также использование какого-либо известного контроллера, который достаточно часто обновлял бы статус всей системы роя [4].
Тесная консолидация сетевой и вычислительной системы позволит получить си-нергетический эффект, проявляющийся в том, что каждая из этих двух систем должна извлекать выгоду из присутствия другой: например, сетевая система должна иметь возможность находить лучшие каналы передачи к близлежащим беспилотным летательным аппаратам и/или лучшие пути обмена данными с удаленными агентами при использовании оценок (или прогнозов на основе некоторого алгоритма искусственного интеллекта) от вычислительной системы о качестве используемых путей беспроводной передачи данных. Настоящая статья описывает современный подход к разработке самоорганизующихся роев дронов в качестве сетевых систем управления посредством интеграции сетевых и вычислительных систем, включая их эффекты взаимодействия.
1. Рой беспилотных летательных аппаратов как сетевая система управления
Стая дронов в большинстве случаев ориентирована на выполнение некоторой поставленной миссии, которая может отличаться масштабом и сложностью, требуя развертывания сетей с различными стратегиями - начиная от невзаимодействующего применения (один или группа невзаимодействующих беспилотных летательных аппаратов связаны с наземным центром управления (см. рис. 1)) и заканчивая многокластерным взаимодействующим применением нескольких стай, использующихся для более масштабных миссий (см. рис. 3) и представляющих собой крайне сложную систему, передающую данные через наземную или спутниковую платформу. В таких миссиях рой беспилотных летательных аппаратов может быть смоделирован как сетевая система управления (Networked Control Systems, NCS) [7].
1.1. Модель сетевой системы управления
NCS - это вычислительная система, управление в которой реализуется в замкнутом контуре через сеть связи. В рое дронов, рассматриваемом в модели NCS, управляющие воздействия и сигналы обратной связи передаются между системными вычислительными блоками или агентами в форме информационного пакета. Типичная NCS обеспечивает свою функциональность с помощью двух основных элементов:
а) вычислительной системы, предназначенной для сбора данных с помощью датчиков, принятия решения и исполнения команды с помощью исполнительных механизмов;
б) сети, предназначенной для обмена информацией, в которую включены модули связи, использующие стандарты и протоколы (например, управление доступом к среде и маршрутизация).
За обработку данных отвечают установленные на каждом дроне бортовые компьютеры, обладающие микросервисами для выполнения конкретных задач, таких как зондирование, принятие решений (например, управление полетом), воздействие на окружающую среду или на сам рой [8]. Интеграция дронов в сеть позволяет изменить функционирование всей стаи за счет эффективной реализации замкнутого цикла, типичного для NCS. Преимуществом такого объединения является повышение эффективности действий каждого дрона, позволяя им вести себя как группа из нескольких агентов, которые работают вместе, стремясь достичь общей цели. Развертывание роев дро-нов в значительной степени зависит от беспроводных и сетевых технологий для передачи определенных данных и команд управления между дронами или между дронами и наземным управлением, что приводит к развертыванию роев дронов на основе двух стратегий: без взаимодействия и с взаимодействием.
1.2. Стратегия развертывания роев дронов без взаимодействия
Указанная стратегия предполагает подключение каждого беспилотника стаи напрямую к наземной станции управления, которая используется для мониторинга их статуса (например, местоположения, состояния датчиков, сетевых конфигураций), принятия решений и отправки новых команд, таких как новые путевые точки. Рассматриваемая стратегия является простым примером сети, которая не может быть дополнительно разделена. Такого рода стратегию можно рассматривать как единую NCS, предполагающую, что каждый беспилотный летательный аппарат может создать замкнутый контур управления для оптимизации своей работы. Так как дрону все еще необходимо взаимодействовать с наземным центром управления, то необходимо поддерживать связь для выполнения миссии, используя системы сбора, связи, обработки данных и управления.
1.2.1. Топология сети
В стратегии развертывания роев дронов без взаимодействия беспилотные летательные аппараты управляются наземной станцией, что предполагает существование эффективных каналов восходящей и нисходящей связи, как показано на рисунке 1, что позволяет наземному пункту управления передавать параметры полета беспилотникам и принимать от них данные. В случае совместного использования нескольких беспилотных летательных аппаратов связь между ними не может осуществляться напрямую или через наземную станцию. На рисунке 1 показан случай с несколькими беспилотными летательными аппаратами.
В этой простой стратегии развертывания имеется двунаправленная линия связи от каждого дрона к наземной системе управления, позволяющая напрямую передавать данные и команды управления, относящиеся к конкретному приложению. Эту стратегию рекомендуется использовать при малой площади охвата, выполняющейся миссией для несложных сценариев. Основное ограничение этой стратегии - наземная станция управления является единственной точкой отказа, в которой может произойти отключение всей сети вместе с задержками передачи, достигающими высшей точки из-за длинных беспроводных линий связи, направленных на охват более широкой области. С точки зрения связи стратегия развертывания без взаимодействия основывается на точной модели канала «воздух-земля», конструкции антенны и модели мобильности.
1.2.2. Основные стратегии, применяемые этой технологией
Рассматриваемая стратегия предполагает следующий алгоритм:
- беспилотники собирают соответствующую информацию от самих себя и из окружающей среды;
- беспилотник устанавливает связь с наземной станцией управления для обработки собранных данных;
- наземная станция передает результат работы вычислительной системы обратно на дроны;
- локальные исполнительные механизмы беспилотников отрабатывают соответствующие команды управления от наземной станции.
Для реализации указанного алгоритма подойдут такие сотовые технологии, как LTE, обеспечивающие улучшенную пропускную способность системы, покрытие, высокие скорости передачи данных и снижение задержки развертывания [9]. Например, LTE обеспечивает скорость передачи данных в диапазоне от 0,07 до 1 Гбит/с с зоной охвата до 350 км по гибкому спектру. Кроме того, может быть использована маломощная территориально распределенная сеть (Low Power Wide-Area Network, LPWAN), та-
"5Э?"
- ■+.
ста-ци-
Рис. 1. Развертывание роев дронов без взаимодействия Fig. 1. Deployment of drone swarms without interaction
Наземная
Ли--'я сбязн "наземная станj-'я ■ беспилотникГ
кая как LoRaWAN, обеспечивающая широкополосную связь, работающая в нелицензионных полосах частот, с низкой скоростью передачи данных, энергопотреблением и пропускной способностью [10]. Например, LoRaWAN обеспечивает скорость передачи данных, которая варьируется от 0,3 Кбит/с до 50 Кбит/с.
В том, что касается вычислительной системы, эта стратегия развертывания может основываться просто на точных моделях мобильности или функциях планирования пути, основанных на интеллектуальных алгоритмах, таких как оптимизация методом роя частиц (Particle Swarm Optimization, PSO), оптимизация колонии муравьев (Ant Colony Optimization, ACO) и оптимизация пчелиной колонии (Bee Colony Optimization, BCO) (например, см. [11]).
1.3. Стратегия развертывания роев дронов со взаимодействием
Указанная стратегия предполагает полностью автономное поведение дронов внутри роя, каждый из которых принимает собственные решения (например, о корректировке траектории) на основе восприятия ими окружающей среды, включая положение соседних беспилотников. Применение указанной стратегии позволяет интегрировать дроны в стае за счет координации своих действий при совместном подходе к зондированию, мониторингу, а также обмену информацией. Это позволит рою прийти к консенсусу относительно наилучшего способа выполнения миссии при обнаружении препятствий на пути к выполнению поставленной миссии. Для эффективного обмена данными автономный рой беспилотных летательных аппаратов должен полагаться на сетевую систему, которая не зависит от работы наземной станции, за исключением чрезвычайных ситуаций.
В полностью автономной системе рой полагается на бортовые сети на основе прямой видимости с потенциально сильными параметрами, которые облегчают передачу данных, а также имеют возможность генерировать подходящие таблицы маршрутизации, позволяющие дронам принимать решения на основе хорошего понимания их ближайшего соседа. Эта локализованная операция, типичная для самоорганизующихся систем, не требует сетевой системы, способной создавать полное изображение всего роя дронов, что является преимуществом в динамических настройках.
Независимо от рассматриваемой топологии сети для бортовой сети определение надежной системы беспроводной связи, обеспечивающей автономное взаимодействие дронов в условиях динамического распространения, имеет важное значение для достижения эффективных операций роя. Следовательно, стратегия развертывания со взаимодействием приводит к более гибкому поведению стаи, обеспечению более высокой компактности расположения и дальностью действия, чем стратегия без взаимодействия.
1.3.1. Топология сети
Стратегия развертывания роев дронов со взаимодействием требует, чтобы беспилотные летательные аппараты взаимодействовали друг с другом напрямую или по каналам связи с несколькими промежуточными устройствами [4]. По этой причине топология может быть выполнена с различными уровнями сложности от сети, основанной на наземной связи, до нескольких сетей, полагающихся на связь «воздух-воздух». В последнем случае сеть может быть простой, охватывающей один кластер, или более сложной, включающей несколько кластеров или большую плоскую специальную сеть.
Рассмотрим возможные варианты построения сетей в рамках указанной стратегии. Первый возможный из вариантов - это сеть на основе инфраструктуры, которая соответствует той же топологии, что и развертывание без взаимодействия (см. рис. 1), где все беспилотные летательные аппараты напрямую соединяются с наземной станцией управления. Разница в том, что при развертывании роев дронов со взаимодействием беспилотники могут взаимодействовать между собой через наземную станцию, которая
отвечает за ретрансляцию всех сообщений. Однако передача всей управляющей информации через наземную станцию может привести к существенному снижению надежности системы из-за наличия единственной точки отказа. Процесс принятия решений может быть:
а) централизованным - все решения принимаются наземным управлением на основе информации, предоставляемой всеми беспилотными летательными аппаратами;
б) децентрализованным - каждый беспилотный летательный аппарат должен иметь возможность принимать свои собственные решения на основе информации, которой дроны обмениваются между собой через наземную станцию, которая в этом случае действует только как ретранслятор.
Кластерная сеть - второй из возможных вариантов топологии в стратегии со взаимодействием. В этом случае все беспилотные летательные аппараты подключаются к выделенному дрону, который устанавливается в качестве параметра конфигурации во время развертывания системы или выбирается во время работы на основе состояния роя. Такой беспилотник выбирается для работы в качестве руководителя кластера соседних с ним беспилотных летательных аппаратов, что означает, что каждое сообщение, сгенерированное или завершенное в таких соседях, отправляется через главный дрон, который руководит кластером [12], но он же может стать и узким местом в рое дронов, блокируя соединения и повышая задержку в передаче сигналов. Исправить указанный недостаток можно расширением сети за счет включения нескольких кластеров, каждый из которых имеет своего собственного главного дрона в кластере. В обоих случаях (для одного или нескольких кластеров) руководители кластеров отвечают за установление связи между кластерами и между каждым кластером и наземным центром управления. Процесс принятия решений может осуществляться самими дронами распределенным образом: на основе индивидуальных решений или на основе консенсуса. Это возможно благодаря тому, что беспилотные летательные аппараты могут взаимодействовать друг с другом посредством главных дронов кластера, а не только через наземную станцию. На рисунке 2 представлена иллюстрация набора отдельных кластеров, образующих многокластерную сеть.
Рис. 2. Развертывание роев дронов со взаимодействием с применением нескольких кластеров Fig. 2. Deployment of drone swarms with multi-cluster interaction
Сеть на основе Adhoc (сеть без точки доступа, сеть компьютер-компьютер) -третий из возможных вариантов топологии в стратегии развертывания роев дронов со взаимодействием, предполагающий плоскую организацию и отсутствие главных дронов кластеров. В такой топологии сбои в работе отдельных узлов будут оказывать незначительное влияние на всю систему в целом, что позволяет снизить требования к
пропускной способности канала нисходящей связи и задержке из-за более коротких каналов связи между беспилотными летательными аппаратами. Преимущества стратегии развертывания сети на основе АёЬос: масштабирование сети, отказоустойчивость, автономность устройства, гибкость и меньшие затраты на настройку [13]. Сеть АёЬос позволяет значительно расширить охват роя дронов по сравнению с кластерной сетью благодаря возможности маршрутизации пакетов через несколько переходов. Однако трудности масштабирования при маршрутизации в плоской организации сети АёЬос можно преодолеть за счет создания множества отдельных кластеров, каждый из которых будет работать как единая сеть АёЬос. В этом случае каждая сеть АёЬос должна будет иметь одного или нескольких главных дронов кластера, которые будут функционировать как шлюзы. На рисунке 3 показана общая топология набора сетей без точки доступа, которые вместе могут образовывать сеть АёЬос на основе кластера.
Рис. 3. Развертывание сети со взаимодействием без точки доступа на основе кластера Fig. 3. Deployment of a network that interacts without a cluster-based access point
1.3.2. Основные технологии
Для построения модели роя беспилотных летательных аппаратов как сети NCS необходимо учитывать требования, предъявляемые к связи, способные гарантировать максимальную производительность системы по беспроводной сети в воздухе. С сетевой точки зрения проблемы сбоев передачи, задержек, замирания каналов и ошибок в сообщениях могут привести к снижению общей производительности системы. Представляется важным использование беспроводной технологии, способной соединять все дроны вместе с помощью действенных механизмов, обеспечивающих эффективное взаимодействие между дронами [4]. Для развертывания стратегии роев дронов со взаимодействием рекомендуется использовать несколько технологий, включая IEEE 802.11 [14], 3G/LTE [15] и спутниковую связь [16]. Хотя возможны и альтернативные сетевые решения, обеспечивающие надежность и стабильность беспроводной связи, являющиеся ключевыми для работы группы БПЛА, использующие протоколы маршрутизации, способные обеспечивать безопасные маршруты передачи данных от источника к месту назначения.
В стратегии развертывания со взаимодействием вычислительные ресурсы рас-
пределяются по различным беспилотным летательным аппаратам, а также в наземной станции управления, что требует назначения нескольких вычислительных задач для создания подходящего процесса принятия решений (с указанием мест и способов принятия решения). Такое требование обусловлено важностью координации вычислительных задач и наличием необходимых вычислительных ресурсов. Например, если выполнение задачи управления полетом могут быть гарантированы контроллером, находящимся на борту каждого дрона, то более трудоемкие задачи (типа распознавания изображений) требуют более мощных ресурсов, которые могут быть реализованы наземным оборудованием или совокупностью дронов, выступающих как единый комплекс обработки данных. Кроме того, координация вычислительных задач может выполняться на основе обмена информацией между дронами, во избежание лишней информации, снижающей эффективность работы роя дронов.
2. Системные компоненты
Рассмотрим свойства двух основных элементов роя дронов: сетевой системы и вычислительной системы, каждая из которых решает определенные задачи, соответствует некоторым требованиям и имеет ряд проблем.
2.1. Сетевая система роя дронов
Сетевая система строит граф связи для обмена данными между беспилотными летательными аппаратами, а также между дронами и наземной инфраструктурой. Она должна гарантировать замкнутый цикл управления потоком данных между осуществлением задачи мониторинга, принятием решений и приведением в действие этих решений. Один из вариантов решения этой проблемы состоит в перераспределении указанных функций между несколькими дронами, при условии сохранения совместного выполнения поставленной миссии. Например, беспилотный летательный аппарат может обнаружить новое препятствие, которое не мешает его собственному движению, но может оказать влияние на выполнение полета другим членам стаи. Эта информация предоставляется другому беспилотному летательному аппарату, способному вычислить действие, которое может быть выполнено набором других дронов, находящихся на пути такого препятствия. В стае связь необходима не только для распространения наблюдений, задач и информации об управлении, но также может помочь в более эффективной и безопасной координации беспилотных летательных аппаратов. Требования к связи значительно различаются в разных приложениях. Однако обеспечение надежной сети является особенно сложной задачей из-за ограничения энерговооруженности беспи-лотников и внешних факторов, таких как беспроводное затенение и прерывистость доступных каналов связи. Проанализируем сетевые требования и ограничения сетевой системы, а также покажем основные принципы ее работы и ключевые свойства.
2.1.1. Сетевые требования
Трафик данных, связанный с работой этой системы, можно разделить на два основных типа [4]:
а) трафик управления, предназначенный для отслеживания и изменения поведения дронов пунктом наземного контроля, а также мониторинга информационных сообщений о состоянии дрона;
б) трафик координации, включающий информацию, связанную с взаимодействием дронов и предотвращением их столкновений.
Дополнительно осуществляется обмен данными между беспилотниками о полезной нагрузке и услугам, реализуемым на борту (типа данных, полученных в результате наблюдений за физической средой, и данных, генерируемых и потребляемых уст-
ройствами, находящимися на борту летательного аппарата). Что касается линий связи «воздух-земля», то Международный союз электросвязи в рамках Партнерского проекта 3-го поколения (3GPP) [17] классифицировал командно-диспетчерскую связь, а также связь с полезной нагрузкой для безопасных операций беспилотных летательных аппаратов с точки зрения пропускной способности, надежности и задержки (см. табл. 1). Перечисленные требования к производительности направлены на гарантирование своевременной связи, качественную обработку данных и реализацию скоординированного движения в режиме реального времени. Хотя информация, предоставленная 3GPP, относится к линиям связи «воздух-земля» в стратегии развертывания без взаимодействия (см. рис. 1), следует ожидать, что к любым линиям связи между беспилотными летательными аппаратами будут предъявляться те же требования к качеству.
Таблица 1
Требования к связи «воздух-земля» для операций беспилотных летательных аппаратов, определенные 3GPP [17]
Table 1. Air-to-ground communications requirements for unmanned aerial vehicle operations defined by 3GPP [17]
Тип данных Пропускная способность Надежность Задержка
DL (наземная станция -БПЛА) Команды управления и директивы 60-100 Кбит/с Коэффициент ошибок пакетов 10-3 50 мс
UL (БПЛА - наземная станция) Команды управления и директивы 60-100 Кбит/с Коэффициент ошибок пакетов 10-3
UL (БПЛА - наземная станция) Прикладные данные до 50 Мбит/с Аналогично наземному использованию
Предполагается, что для выполнения миссии роем дронов первостепенное значение необходимо уделять связи по каналам «воздух-воздух», поскольку беспилотные летательные аппараты требуют обмена информацией между собой, чтобы иметь возможность принимать локальные решения; рои беспилотных летательных аппаратов требуют надежной беспроводной связи для распределенной координации и обработки в реальном времени для достижения общесистемных целей [4]. Следовательно, для обеспечения роем широкополосной связи, поддерживающей скоординированную и распределенную обработку данных в реальном времени, сетевая система должна иметь характеристики производительности сети, охватывающие надежность, высокую пропускную способность и низкие задержки, чтобы обеспечить более тесное сотрудничество и синхронизацию для эффективного управления воздушными узлами.
2.1.2. Сетевые проблемы
С точки зрения обеспечения надежности выполнение полета беспилотным летательным аппаратом является затруднительным из-за прерывистого характера используемых беспроводных линий связи, что может привести к снижению производительности передачи по сети. На синхронное маневрирование соседними беспилотными летательными аппаратами могут оказать влияние и такие аспекты, как наличие эффекта Доплера или сложности настройки антенны. Предполагается, что обеспечение мобильности беспилотников можно решать на основе повышения пропускной способности передачи данных и расширения канала связи за счет внедрения функций хранения, переноса и пересылки (store-carry-and-forward, БСБ) в беспилотных летательных аппаратах [18]. Следовательно, беспилотные летательные аппараты подвержены отказам исполнительных механизмов и системным неопределенностям, что влияет на способность системы
поддерживать удовлетворительную производительность. Неопределенности присущи самой системе беспилотного летательного аппарата из-за параметрических изменений массы и инерции, скорости, высоты и динамики положения, углов возвышения и случайного шума от самолета во время полета.
Беспилотный летательный аппарат также может подвергаться внешним воздействиям погоды и системным неопределенностям, а именно связанным со свойствами используемых беспроводных каналов, такими как крупномасштабные и мелкомасштабные замирания. Крупномасштабное и мелкомасштабное замирание каналов способствует повышению надежности передачи и оказывает значительное влияние на связь «воздух-земля» и эксплуатационные характеристики систем с несколькими беспилотными летательными аппаратами [19]. Крупномасштабное затухание обычно приводит к таким проблемам, как затухание в свободном пространстве, затухание и затенение. Явление затухания в свободном пространстве зависит от условий линии прямой видимости, а также от эффектов отражения поверхности земли, снижающих силу передачи при распространении волн в свободном пространстве. Ослабление, с другой стороны, происходит из-за потери мощности передачи радиосигнала при его прохождении в полосе частот. Основной причиной ослабления при передаче сигналов «воздух-воздух» и «воздух-земля» являются атмосферные условия, такие как дождь и газы. Кроме того, эффект затенения может быть вызван самим корпусом БПЛА и несоосностью из-за углового расположения антенн на БПЛА. Тем не менее, основное ограничение эффектов затенения при связи беспилотных летательных аппаратов «воздух-земля» в значительной степени объясняется ограничениями в отношении приемлемых рабочих высот беспилотника, которые ограничивают его работу на меньших высотах и, следовательно, склонны к затенению препятствий от высотных зданий и наземных объектов на пути передачи данных «воздух-земля». Наземные линии связи вызывают рассеивание сигнала, что влияет на эффективность связи.
2.2. Вычислительная система
Вычисления в рое дронов основаны на процессе, аналогичном N08, в котором простые данные могут привести к принятию сложных решений. Следовательно, разработка подходящей вычислительной системы основывается на исследовании наилучших стратегий принятия решений в зависимости от используемой стратегии развертывания и алгоритмов разведки.
2.2.1. Самоорганизованное принятие решений
Любой беспилотный летательный аппарат обладает вычислительной способностью для выполнения полета с базовым уровнем управления, но только летательные аппараты с высоким уровнем автономности могут принимать решения для выполнения задач без вмешательства наземной станции управления. В рое дронов принятие решений может осуществляться самими агентами распределенным образом и централизованным управляющим органом. Последнее происходит в роях беспилотных летательных аппаратов с низкой автономностью. Однако в рое беспилотных летательных аппаратов с высоким уровнем автономии принятие решений может осуществляться самими дронами.
Централизованный процесс принятия решений предлагает простые решения с точки зрения общей конструкции системы, способствуя при этом снижению энергопотребления каждого дрона. С другой стороны, распределенный подход к принятию решений может привести к созданию более надежного и масштабируемого роя дронов. Поэтому стоит уделить внимание распределенным процессам принятия решений, которые могут привести к созданию более автономного, надежного и масштабируемого роя
беспилотных летательных аппаратов.
Самоорганизующееся поведение роя дронов означает, что они находятся во взаимодействии и поддерживают сетевое подключение, учитывая изменяющиеся условия сети [4]. При этом используется ряд самоорганизующихся алгоритмов, направленных на оказание помощи распределенным агентам: уже упоминавшиеся методы оптимизации роя частиц (Particle Swarm Optimization, PSO), колонии муравьев (Ant Colony Optimization, ACO) и пчелиной колонии (Bee Colony Optimization, BCO).
В целом децентрализованная архитектура использования самоорганизующихся средств управления принятием решений для систем с несколькими БПЛА представлена на рисунке 4. Для взаимодействия и функционирования каждого беспилотного летательного аппарата самоорганизующиеся процедуры поддержки принятия решений делятся на три этапа, а именно: восприятие, принятие решения и действие (см. рис. 4). Информация о местоположении и скорости беспилотных летательных аппаратов и соседей собирается путем рассмотрения стационарных и мобильных препятствий, после чего выполняются процессы принятия решений на основе моделирования и оптимизации для улучшения результатов. Затем исполнительный механизм обрабатывает предпоследние наилучшие возможные решения, и процессы повторяются снова.
Для выработки коллективного поведения и обмена собираемыми данными работа дронов также должна быть синхронизирована. Синхронизация позволяет координировать события между отдельными агентами в разных беспилотных летательных аппаратах для поддержки их гармоничной работы в рое. Это помогает распределенным процессорам иметь общее представление о времени посредством обмена сообщениями-маяками, позволяющими эффективно диагностировать неисправности и восстанавливать их. Синхронизация облегчает объединение данных с разных распределенных узлов в единую значимую информацию посредством так называемого слияния данных.
Рис. 4. Самоорганизующиеся процедуры принятия решений Fig. 4. Self-organizing decision-making procedures
2.2.2. Роевой интеллект
Цель роевого интеллекта (Swarm Intelligence) - создание продвинутого и сложного поведения роя дронов, которые локально взаимодействуют между собой и с окружающей средой. Работа систем роевого интеллекта направлена на имитацию некоторых биологических систем, в которых агенты (например, муравьи, пчелы) следуют простым правилам, которые не диктуются какой-либо центральной организацией. В этих системах взаимодействия между агентами уступают место появлению глобальных моделей поведения. В этом контексте алгоритмы роевого интеллекта направлены на управление роем дронов в том, что касается его поведения, на основе двух подходов, а именно оптимизации и консенсуса.
3. Вычислительная и сетевая интеграция
Для создания замкнутого цикла в стае дронов необходимо обеспечить тесную связь между вычислительными и сетевыми системами, что позволит наилучшим образом использовать ограниченные ресурсы, которыми может располагать каждый беспилотный летательный аппарат для решения задач зондирования, вычислений и создания сетей.
3.1. Сеть, поддерживающая вычисления
Очевидно, что эффективная работа сетевого оборудования вносит свой вклад в вычислительную систему, настраивая топологию сети, способную поддерживать необходимый обмен данными между всеми дронами в рое. Данные, требуемые вычислительной системой, передаются с использованием сетевой системы, также как и результаты работы вычислительной системы каждого дрона обычно передаются другим через сетевую систему, чтобы позволить общей системе достичь консенсуса. Следовательно, существенное влияние на вычислительные возможности роя дронов оказывает производительность сетевой системы.
Основываясь на чистом сетевом решении IP (например, типологии, созданные и поддерживаемые мобильными протоколами маршрутизации Adhoc), все беспилотные летательные аппараты должны знать, с каким другим дроном им необходимо взаимодействовать в процессе вычислительной функции (например, для предотвращения столкновений). Такой подход приводит к проблемам с масштабируемостью и производительностью из-за объема состояний, которые необходимо сохранить каждому дрону, и времени, необходимого для обновления этой информации. Следовательно, одно из потенциальных решений заключается в использовании сетевой системы, основанной на поименованных объектах данных [20], позволяющей каждому дрону извлекать данные, необходимые для их вычислительной функции, без необходимости знать, где эти данные хранятся в системе стаи. Несмотря на двухуровневость выполнения операции, такая сетевая система поможет уменьшить задержки, поскольку необходимые данные могут быть извлечены из кэша, развернутого в более близком беспилотном летательном аппарате.
Кроме того, сетевая система по-прежнему требует, чтобы все данные, необходимые для вычислительной функции, сначала должны быть доставленными; и кроме того, в роевой системе нужно обнаружить необходимую вычислительную функцию (например, оценить обновленный список потенциальных препятствий). В этом случае предполагается, что из-за энергетических ограничений не все дроны будут отвечать за выполнение всех вычислительных функций, необходимых для управления всем роем.
Хотя такая сеть была бы ориентирована на предоставление системы разрешения от имен служб до требуемых данных, лучшим решением может быть сетевая система, способная разрешать вычислительные функции вместо имен. Эту задачу самоорганизации роя могут решать сети именованных функций (Named Function Network, NFN), позволяющие запрашивающему агенту быть независимым от статуса роя дронов и хранящих только локальную информацию [21]. Однако использование сетевой системы, основанной на NFN, будет рассматривать рой дронов как полностью доверенный объект, что может соответствовать истине. Следовательно, рой дронов на основе NFN должен быть способен транспарентно оценивать результаты каждой вычислительной функции.
3.2. Вычислительная поддержка сети
Вычислительная система может улучшить сетевую систему в нескольких ситуациях; например, некоторая информация об окружающей среде, такая как изменения высоты или рельефа, может привести к изменениям в используемых моделях каналов,
что окажет влияние на производительность сетевой системы. В этом случае производительность сети может быть улучшена с помощью вычислительной системы, поскольку она может измерять и моделировать беспроводной канал и классифицировать этот канал в соответствии с предопределенными правилами.
Приведем несколько примеров исследований по внедрению вычислений в сетевую систему с целью повышения общей производительности системы. Прежде всего, это интеллектуальные алгоритмы на основе операций ограничения, предназначенные для смягчения ограничений, связанных с высокой задержкой и низкими скоростями передачи. Для реализации алгоритмов можно использовать, например, предметно-ориентированный язык программирования P4, предназначенный для программирования правил маршрутизации пакетов. Язык позволяет эффективно использовать вычислительные функции, связанные с агрегированием сообщений подтверждения, улучшать поддержку многоадресной рассылки и принимать решения о маршрутизации, имеет возможность масштабирования пересылки в зависимости от текущих условий (например, показателей качества связи, мобильности дронов и т.п.), снижать накладные расходы на связь во всей системе с учетом ограничений коммуникационных затрат.
Использование роем беспилотников беспроводных каналов требует особого внимания к обеспечению безопасности связи и защиты данных. Неправильное поведение и утечка информации могут привести к физическому ущербу и поставить под угрозу работу роя. В этом контексте встраивание вычислений в рой позволило бы обрабатывать трафик и данные непосредственно в сети и с линейной скоростью. Таким образом, интеграция вычислительных и сетевых систем создает адекватную поддержку для обеспечения необходимых механизмов безопасности и конфиденциальности:
а) предотвращение атак и вторжений;
б) обнаружение вторжения и нежелательного поведения;
в) увеличение возможностей роя по анализу потенциальных инцидентов и предотвращения будущих атак.
Внедренная в процесс принятия решений вычислительная система помогает беспилотным летательным аппаратам лучше управлять своей сетью, учитывать их собственные свойства, а также состояние окружающей среды.
Заключение
Рассмотрение разработанной стаи беспилотных летательных аппаратов в качестве NCS помогает повысить производительность всей системы при решении оперативных и экологических проблем. Разделение роя дронов на сетевую и вычислительную системы позволит создать эффективно функционирующую самоорганизующуюся систему роя. При этом представляется важным при создании сетевой системы не полагаться на идентификацию хостов (например, дронов), а скорее на их вычислительные функции, которые могут быть развернуты в любом дроне. Такой подход обеспечивает основу для решения основных проблем, выявленных при разработке роя дронов как сетевой системы управления. Интеграция сетевой системы, способной осуществлять решение вычислительных выражений по требованию, составленных для каждого дрона из именованных данных и функций транспарентным способом, позволяет реализовать свойство самоорганизации роя.
Примечание
1. Довгаль В.А., Довгаль Д.В. Модель взаимодействия анализирующих туманно-облачных вычислений для обработки информации о положении беспилотных летательных аппаратов // Осенние математические чтения в Адыгее: материалы III междунар. науч. конф. Майкоп, 2019. С.149-154.
2. Довгаль В.А., Довгаль Д.В. Использование интернета вещей для охраны окружающей
среды // Фундаментальные и прикладные аспекты геологии, геофизики и геоэкологии с использованием современных информационных технологий: материалы V междунар. науч.-практ. конф. Ч. 1. Майкоп: Изд-во Кучеренко В.О., 2019. С. 152-157.
3. Zeng Y., Zhang R., Lim T.J. Wireless communications with unmanned aerial vehicles: Opportunities and challenges // IEEE Communication Magazine. 2016. Vol. 54. P. 36-42.
4. Довгаль В.А., Довгаль Д.В. Анализ систем коммуникационного взаимодействия дронов, выполняющих поисковую миссию в составе группы // Вестник Адыгейского государственного университета. Сер.: Естественно-математические и технические науки. 2020. Вып. 4 (271). С. 87-94. URL: http://vestnik.adygnet.ru
5. A survey of using swarm intelligence algorithms in IoT / W. Sun, M. Tang, L. Zhang, Z. Huo, L. Shu // Sensors. 2020. Vol. 20. P. 1420.
6. Довгаль В.А., Довгаль Д.В. Анализ проблем обеспечения информационной безопасности беспроводных сенсорных сетей и методов обеспечения безопасности интернета вещей // Вестник Адыгейского государственного университета. Сер.: Естественно-математические и технические науки. 2021. Вып. 1 (276). С. 75-83. URL: http://vestnik.adygnet.ru
7. Gupta R.A., Chow M.Y. Networked control system: Overview and research trends // IEEE Trans. Ind. Electron. 2009. Vol. 57. P. 2527-2535.
8. Campion M., Ranganathan P., Faruque S. UAV swarm communication and control architectures: A review // Journal Unmanned Vehicle System. 2018. Vol. 7. P. 93-106.
9. New radio (NR) and its evolution toward 5G-advanced / Y. Kim, J. Oh, H. Ji [et al.] // IEEE Wireless Communication. 2019. Vol. 26. P. 2-7.
10. Raza U., Kulkarni P., Sooriyabandara M. Low power wide area networks: An overview // IEEE Communication Survey Tutor. 2017. Vol. 19. P. 855-873.
11. Dovgal V.A. Making decisions about the placement of unmanned aerial vehicles based on the implementation of an artificial immune system in relation to information processing // Proceedings - 2021: International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing. ICIEAM 2021. P. 828-833.
12 Dovgal V.A. Decision-making for placing unmanned aerial vehicles to implementation of analyzing cloud computing cooperation applied to information processing // Proceedings - 2020: International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing. ICIEAM 2020. P. 911-975.
13. Chen X., Tang J., Lao S. Review of Unmanned Aerial Vehicle Swarm Communication Architectures and Routing Protocols // Applied Sciences. 2020. Vol. 10, Iss. 10. P. 3661.
14. Викулов А.С., Парамонов А.И. Стандарт IEEE 802.11ax и перспективы его применения для Интернета вещей // Интернет вещей и 5G: материалы Второй междунар. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых, г. Санкт-Петербург, 07 декабря 2016 года. Санкт-Петербург: СПбГУ телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, 2016. С. 38-41.
15. Логинов В.А., Ляхов А.И., Хоров Е.М. Совместное существование сетей Wi-Fi и LTE-LAA: открытые проблемы // Информационные процессы. 2018. Т. 18, № 3. С. 197-209.
16. Оптимизация создания и применения спутниковых систем связи / И.А. Байгутлина, А.В. Григорошев, Е.О.Григорьев [и др.]. Москва: Сам Полиграфист, 2021. 200 с.
17. DoD command, control, and communications (C3) modernization strategy. URL: https://dodcio.defense.gov/Portals/0/Documents/DoD-C3-Strategy.pdf (дата обращения: 08.02.2022).
18. Динь Ч.З. Разработка методов построения и функционирования быстроразворачиваемой летающей сети для экстренных служб: специальность 05.12.13 «Системы, сети и устройства телекоммуникаций»: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Санкт-Петербург, 2020. 22 с.
19. Карлов А.М., Волхонская Е.В., Гоза Н.С. Модельные исследования коэффициента битовых ошибок в канале связи с мелкомасштабными рэлеевскими замираниями // Радиотехника. 2019. № 2. С. 52-55. DOI: 10.18127/j00338486-201902-10
20. Гребешков А.Ю., Боровская Я.А. Построение информационно-ориентированных сетей 5G-ICN // Вестник связи. 2021. № 11. С. 13-18.
21. Scherb C., Faludi B., Tschudin C. Execution state management in named function networking, 2017 // IFIP Networking Conference (IFIP Networking) and Workshops, 2017. P. 1-6. DOI: 10.23919/IFIPNetworking.2017.8264867
References
1. Dovgal V.A., Dovgal D.V. Interaction model for analyzing fog-cloud computing for processing information on the position of unmrdanned aerial vehicles // Autumn Mathematical Readings in Adygheya: collection of proceedings of the 3rd International Scientific Conference. Maikop: Publishing House: ASU, 2019. P. 149-154.
2. Dovgal V.A., Dovgal D.V. The use of the Internet of things for environmental protection // Fundamental and applied aspectsthof geology, geophysics and geo-ecology using modern information technologies: proceedings of the 5th Intern. scient. and pract. conf. Maikop: Kucherenko V.O., 2019. Pt. 1. P. 152-157.
3. Zeng Y., Zhang R., Lim T.J. Wireless communications with unmanned aerial vehicles: Opportunities and challenges // IEEE Communication Magazine. 2016. Vol. 54. P. 36-42.
4. Dovgal V.A., Dovgal D.V. Analysis of communication interaction systems for drones performing a search mission as part of a group // The Bulletin of the Adyghe State University. Ser. : Natural-Mathematical and Technical Sciences. 2020. Iss. 4 (271). P. 87-94. URL: http://vestnik.adygnet.ru
5. A survey of using swarm intelligence algorithms in IoT / W. Sun, M. Tang, L. Zhang, Z. Huo, L. Shu // Sensors. 2020. Vol. 20. P. 1420.
6. Dovgal V.A., Dovgal D.V. Analysis of the problems of ensuring information security of wireless sensor networks and methods of ensuring the security of the Internet of Things // The Bulletin of the Adyghe State University. Ser.: Natural-Mathematical and Technical Sciences. 2021. Iss. 1 (276). P. 75-83. URL: http://vestnik.adygnet.ru
7. Gupta R.A., Chow M.Y. Networked control system: Overview and research trends // IEEE Trans. Ind. Electron. 2009. Vol. 57. P. 2527-2535.
8. Campion M., Ranganathan P., Faruque S. UAV swarm communication and control architectures: A review // Journal Unmanned Vehicle System. 2018. Vol. 7. P. 93-106.
9. New radio (NR) and its evolution toward 5G-advanced / Y. Kim, J. Oh, H. Ji [et al.] // IEEE Wireless Communication. 2019. Vol. 26. P. 2-7.
10. Raza U., Kulkarni P., Sooriyabandara M. Low power wide area networks: An overview // IEEE Communication Survey Tutor. 2017. Vol. 19. P. 855-873.
11. Dovgal V.A. Making decisions about the placement of unmanned aerial vehicles based on the implementation of an artificial immune system in relation to information processing // Proceedings - 2021: International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing. ICIEAM 2021. P. 828-833.
12. Dovgal V.A. Decision-making for placing unmanned aerial vehicles to implementation of analyzing cloud computing cooperation applied to information processing // Proceedings - 2020: International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing. ICIEAM 2020. P. 911-975.
13. Chen X., Tang J., Lao S. Review of Unmanned Aerial Vehicle Swarm Communication Architectures and Routing Protocols // Applied Sciences. 2020. Vol. 10, Iss. 10. P. 3661.
14. Vikulov A.S., Paramonov A.I. The IEEE 802.11ax standard and its prospects for the Internet of Things // Internet of Things and 5G: Materials of the Second Intern. scient.-tech. conf. of students, graduate students and young scientists, St. Petersburg, December 07, 2016. St. Petersburg: St. Petersburg State University of Telecommunications named after prof. Bonch-Bruevich M.A., 2016. P. 38-41.
15. Loginov V.A., Lyakhov A.I., Khorov E.M. Coexistence of Wi-Fi and LTE-LAA networks: open problems // Information processes. 2018. Vol. 18, No. 3. P. 197-209.
16. Optimization of creation and application of satellite communication systems / I.A. Baygutlin, A.V. Grigoroshev, E.O. Grigoryev [et al.]. Moscow: LLC Sam Polygraphist, 2021. 200 p.
17. DoD command, control, and communications (C3) modernization strategy. URL: https://dodcio.defense.gov/Portals/07Documents/DoD-C3-Strategy.pdf (date of access: 08.02.2022).
18. Ding Ch.Z. Development of methods for the construction and operation of a rapidly deployable flying network for emergency services: specialty 05.12.13 "Systems, networks and devices of telecommunications": Diss. abstract for the Candidate of Technical Sciences degree. St. Petersburg, 2020. 22 p.
19. Karlov A.M., Volkhonskaya E.V., Goza N.S. Model studies of the bit error rate in a communication channel with small-scale Rayleigh fading // Radio Engineering. 2019. No. 2. P. 52-55. DOI: 10.18127/j00338486-201902-10
20. Grebeshkov A.Yu., Borovskaya Ya.A. Constructing information-oriented 5G-ICN networks // Bulletin Communication. 2021. No. 11. P. 13-18.
21. Scherb C., Faludi B., Tschudin C. Execution state management in named function networking, 2017 // IFIP Networking Conference (IFIP Networking) and Workshops, 2017. P. 1-6. DOI: 10.23919/IFIPNetworking.2017.8264867
Статья поступила в редакцию 10.02.2022; одобрена после рецензирования 10.03.2022; принята к публикации 11.03.2022.
The article was submitted 10.02.2022; approved after reviewing 10.03.2022; accepted for publication 11.03.2022.
© В.А. Довгаль, 2022
